УДК 331.51:668.1

ПОЛИМЕРНЫЕ МЫШЦЫ В РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Косолапов Кирилл Вадимович1, Сафин Георгий Григорьевич2, Лымарь Алексей Борисович3, Проскурин Ярослав Владимирович4, Свалов Дмитрий Викторович5
1Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Носова, аспирант
2Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Носова, студент
3Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Носова, магистрант
4Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Носова, магистрант
5ООО КосМосГруп, ведущий программист

Аннотация
Рост рынка систем робототехники, и увеличивающийся уровень сложности мехатронных систем требует применение новых типов приводов и иных исполнительных механизмов. В данной статье рассмотрен ряд материалов, обладающих памятью формы, и проведён сравнительный анализ приведённых решений. Показаны возможности применения рассмотренных материалов в качестве “искусственных мускулов”, в робототехнике с выявлением ограничений применений и определением перспективных областей для дальнейших разработок.

Ключевые слова: искусственный мускул, полимерная лента, привод, робототехника, электроактивные полимеры


POLYMER MUSCLES IN ROBOTIC SYSTEMS

Kirill V. Kosolapov1, George G. Safin2, Alexey B. Lymar3, Yaroslav V. Proskurin4, Dmitry V. Svalov5
1Magnitogorsk State Technical University, PhD student
2Magnitogorsk State Technical University, student
3Magnitogorsk State Technical University, undergraduate
4Magnitogorsk State Technical University, undergraduate
5LLC KosMosGroup, lead programmer

Abstract
Market growth of robotics systems, and an increasing level of complexity of mechatronic systems requires the use of new types of actuators. This article discusses a number of materials with shape memory, and provides a comparative analysis of solutions is given. The possibilities of the use of materials considered as "artificial muscles" in robotics with detection limits and definitions of promising areas for further development.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Косолапов К.В., Сафин Г.Г., Лымарь А.Б., Проскурин Я.В., Свалов Д.В. Полимерные мышцы в робототехнических системах // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/58611 (дата обращения: 21.11.2016).

Работа выполнена при поддержке гранта Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере.

В наше время широкое применение нашли электрические и пневматические приводы для роботов. Как бы совершенны не были данные механизмы, человеческие мышцы превосходят их по быстроте действия, а также удельной мощности. Поэтому традиционные способы совершения работы механическими приводами нельзя считать совершенными. Для замены известных решений приводящих устройств, более совершенными механизмами приводов, повторяющих характеристики органических мышц было выдвинут ряд нетривиальных решений [2].

В данной статье рассмотрены новые открытия и решения в области «искусственных мышц», используемых для произведения механической работы. Целью данной работы является, анализ основных из известных искусственных аналогов мышц, а также перспективы их развития.

Основным ограничением функциональности органических мышц является необходимость в постоянном подведении новых химических компонентов и износ материала во времени. Клетки живой материи обладают возможностью постоянного обновления, потребляя химические компоненты как для самого обновления, так и непосредственно для совершения механического движения. В механике робототехнической системы такую реализацию обеспечить сложно.

Несомненно, крайне малое значение инерционности обеспечивает перспективу в развитии искусственных мышц как приводов робототехнических систем и комплексов. Полимеры являются основным материалом для изготовления искусственных мышц на современном этапе развития науки и техники. Они обладают большим запасом цикличности и не требуют жестких условий по нагреву материала для перехода из одного фазового состояния в другое и завершения одного цикла работы, как это требовалось в ранних экспериментах с материалами обладающих памятью формы (речь идет о никель-титановых сплавах, в частности NITINOL – NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Первопроходцем в развитии полимеров как материала для искусственных мышц является доктор Йозеф Бар-Коэн из лаборатории реактивного движения NASA, который создал электроактивные полимеры (ЭАП). Он создал два типа искусственных мышц [1]:

1. Полимерная лента, которая содержит в себе углерод, кислород и фтор. Меняя распределение зарядов на поверхностном слое ленты посредством пропускания электрического тока можно добиться изгибания ленты. Меняя конфигурацию полимерных лент возможно практически неограниченно изменять сложность и вариабильность механических перемещений.

2. Пластины ЭАП выполненные в виде свернутых в трубочки. Осуществление полезной работы производится путём сжатия и растяжения трубочки с деформацией эластичной сердцевины под действием электрического тока.  .

Первый тип мускул нашёл применение в манипуляторе верхней конечности компании из США Environmental Robots Incorporated. Он содержал две пластины выполняющих роль привода, собранных из полимерных лент. Второй тип искусственных мышц NASA внедряет в перспективные модели планетоходов.

Компанией Artificial Muscle, были разработаны приводы в основе которых лежали полимеры – EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Развитие вышеуказанных технологий может привести к созданию “искусственных мышц” превосходящие по характеристикам органические мышцы. На данном этапе развития максимальным развиваемым усилием однослойной полимерной искусственная мышцы на основе технологии EPAM является усилие равное 0,5 ньютона. Путём комбинирования слоёв полимера, можно получить исполнительные механизмы, развивающие усилие в несколько десятков раз большее по сравнению с одной полимерной лентой. На данном этапе развития, подобные устройства находят применения в механизмах фокусировки современных оптических систем заменяя собой шаговые электродвигатели. Продукт Artificial Muscle обладает высоким уровнем быстродействия и ресурсом работы, позволяя совершить до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду изменяя свою длину в 3,8 раза [3,4].

Выполнив анализ перспективных разработок в области перспективных видов полимерных приводов, можно сделать вывод, что данная область науки «шагнула» далеко вперед, и в скором времени человечество ждет обширное внедрение данных технологий в области робототехники и протезирования.


Библиографический список
  1. Песчанская Н.Н., Якушев П.Н., Шпейзман В.В., Смолянский А.С., Шведов А.С., Черемисов В.Г. Неоднородность скорости деформации полимерных материалов с разной надмолекулярной структурой // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 9. С. 1837–1840
  2. Electroactive Polymers for Robotic Applications / K.J. Kim, S. Tadokoro (eds.). L.: Springer-Verlag, 2007. 281 р
  3. Carpi F., Chiarelli P., Mazzoldi A., De Rossi D. Electromechanical characterisation of dielectric elastomer planar actuators: Comparative evaluation of different electrode materials and different counterloads // Sensors and Actuators A. 2003. Vol. 107. Is. 1. P. 85–95
  4. Шеппард Г. Искусственные мышцы // Журнал «Вокруг Света», 2007, №6 [Электронный ресурс]. URL: vokrugsveta.ru/vs/article/3910
  5. Косолапов К.В., Хайрулин А.В., Свалов Д.В., Набиев В.Р., Гафаров Р.Р. Осуществление передачи данных роботизированной платформы и устройством с ос android // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. №1-3 (32). С. 14-15.
  6. Косолапов К.В., Распутин Д.А., Тюгаев М.В., Адигамов И.С. Разработка универсального модульного автоматизированного комплекса удалённого присутствия //Международный научно-исследовательский журнал. 2014. №8-1 (27). С. 22-25.


Все статьи автора «Сафин Георгий Григорьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация